一种计算深空通信链路损耗值的方法
阅读：493发布：2020-07-07
专利汇可以提供一种计算深空通信链路损耗值的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供一种计算深空通信链路损耗值的方法，属于通信领域，该方法首先将深空通信链路分段为近地链路、深空中继链路、远地链路三段链路；接着分别计算通信链路各段的损耗值；最后将通信链路各段的损耗值之和作为通信链路总损耗值。本发明能准确地计算出深空通信链路损耗值，为在实际深空通信中对 信号 功率进行损耗补偿提供参考依据，并且本发明具有较强的适用可行性，可以广泛应用于各种深空通信系统中。，下面是一种计算深空通信链路损耗值的方法专利的具体信息内容。
1.一种计算深空通信链路损耗值的方法，其特征在于，包括步骤：
分段深空通信链路；
计算通信链路各段损耗值；
根据通信链路各段损耗值，计算通信链路总损耗值。
2.如权利要求1所述的一种计算深空通信链路损耗值的方法，其特征在于，所述分段深空通信链路包括：将所述深空通信链路分段为近地链路、深空中继链路、远地链路；
所述近地链路，指地球表面到同步卫星之间的链路；
所述深空中继链路，指同步卫星至其它行星的轨道卫星间的通信链路；
所述远地链路，指其它行星的轨道卫星与其表面探测器之间的链路。
3.如权利要求2所述的一种计算深空通信链路损耗值的方法，其特征在于，所述计算通信链路各段损耗值包括：计算所述近地链路损耗值、计算所述深空中继链路损耗值和计算所述远地链路损耗值。
4.如权利要求3所述的一种计算深空通信链路损耗值的方法，其特征在于，所述远地链路损耗值为当前传播的无线电波在其它行星的轨道卫星与其表面探测器之间的自由空间中传播时的损耗值。
5.如权利要求3所述的一种计算深空通信链路损耗值的方法，其特征在于，计算所述深空中继链路损耗值包括：求取当前传播的无线电波在同步卫星与其它行星的轨道卫星间的自由空间中传播的损耗值和太阳风对当前传播的无线电波造成的吸收损耗值之和。
6.如权利要求3所述的一种计算深空通信链路损耗值的方法，其特征在于，计算所述近地链路损耗值包括：求当前传播的无线电波在所述近地链路中的大气吸收损耗值、降雨衰减值、雨雾衰减值、积雨云衰减值和电离层衰减值之和；
所述大气吸收损耗值是指由于大气的吸收效应导致的无线电波的损耗值；
所述降雨衰减值是指由于降雨导致的无线电波的损耗值；
所述雨雾衰减值是指雾天造成的无线电波的损耗值；
所述积雨云衰减值是指积雨云对无线电波造成的损耗值；
所述电离层衰减值是指电离层对无线电波造成的损耗值。
7.如权利要求3所述的一种计算深空通信链路损耗值的方法，其特征在于，所述根据通信链路各段损耗值，计算通信链路总损耗值的方法为：将通信链路各段损耗值之和作为通信链路总损耗值。
一种计算深空通信链路损耗值的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及深空通信领域，尤其涉及一种计算深空通信链路损耗值的方法。
背景技术
[0002] 目前，深空探测主要是指对太阳系内除地球以外的行星及其卫星，小行星和彗星等的探测，也包括对太阳系外甚至全宇宙的探测。深空通信技术是进行深空探测活动的重要技术支撑，肩负着传输指令信息、遥测遥控信息、跟踪导航信息、姿态控制信息、轨道控制信息和传输科学数据、图像、文件、声音、乃至影像等数据的任务，关乎深空探测任务的成败。深空通信的质量不仅取决于无线电系统设备的性能，电磁波传播环境也是实现高质量通信所必须考虑的因素，高质量的电磁波传播环境特性探测和预测由此显得格外重要。但深空通信环境复杂多变，所以对深空通信环境中的各种影响因子进行分析并给出理论模型具有重要意义，其中，损耗分析可为在实际深空通信中对信号功率进行损耗补偿提供参考依据。但是，传统的空间链路损耗值计算方法中，没有具体分析及计算链路在不同传输距离下的损耗值，导致无法获取准确的链路损耗值。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提出了一种计算深空通信链路损耗值的方法，用于解决现有的空间链路损耗值计算方法不能准确计算深空通信链路损耗值的问题。本发明提供的计算深空通信链路损耗值的方法能够获取到准确的深空通信链路总损耗值，该方法具有较强的适用可行性，可广泛应用于深空通信系统中。
[0004] 本发明提供一种计算深空通信链路损耗值的方法，包括步骤：分段深空通信链路；计算通信链路各段损耗值；根据通信链路各段损耗值，计算通信链路总损耗值。
[0005] 优选地，所述分段深空通信链路包括：将所述深空通信链路分段为近地链路、深空中继链路、远地链路；所述近地链路，指地球表面到同步卫星之间的链路；所述深空中继链路，指同步卫星至其它行星的轨道卫星间的通信链路；所述远地链路，指其它行星的轨道卫星与其表面探测器之间的链路。
[0006] 优选地，所述计算通信链路各段损耗值包括：计算所述近地链路损耗值、计算所述深空中继链路损耗值和计算所述远地链路损耗值。
[0007] 优选地，所述远地链路损耗值为当前传播的无线电波在其它行星的轨道卫星与其表面探测器之间的自由空间中传播时的损耗值。
[0009] 优选地，计算所述近地链路损耗值包括：求当前传播的无线电波在所述近地链路中的大气吸收损耗值、降雨衰减值、雨雾衰减值、积雨云衰减值和电离层衰减值之和；所述大气吸收损耗值是指由于大气的吸收效应导致的无线电波的损耗值；所述降雨衰减值是指由于降雨导致的无线电波的损耗值；所述雨雾衰减值是指雾天造成的无线电波的损耗值；所述积雨云衰减值是指积雨云对无线电波造成的损耗值；所述电离层衰减值是指电离层对无线电波造成的损耗值。
[0010] 优选地，所述根据通信链路各段损耗值，计算通信链路总损耗值的方法为：将通信链路各段损耗值之和作为通信链路总损耗值。
[0011] 本发明的上述技术方案的有益效果如下：
[0012] 上述计算深空通信链路损耗值的方法，针对深空通信链路的特点，对深空链路进行了分段，并给出了各段中各种因素造成衰减的理论模型，对各个模型进行计算分析，最后获取到准确的深空通信链路总损耗值，同时该方法具有较强的适用可行性，可广泛应用于各种深空通信系统中。附图说明
[0013] 图1为本发明的一种计算深空通信链路损耗值的方法流程示意图；
[0014] 图2为深空通信链路示意图。
具体实施方式
[0015] 为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
[0016] 图1所示为本发明提供的一种计算深空通信链路损耗值的方法流程示意图，包括：
[0017] S1：分段深空通信链路；
[0018] S2：计算通信链路各段损耗值；
[0019] S3：根据通信链路各段损耗值，计算通信链路总损耗值。
[0020] 如图2所示为深空通信链路示意图，分段深空通信链路具体为：将所述深空通信链路分段为近地链路1、深空中继链路2、远地链路3；近地链路1指地球表面5到同步卫星4之间的链路，具体包括了地球表面5通信链路、同步卫星4与地球站6之间的链路和不同的同步卫星4相互间的链路；深空中继链路2，指最终用于向深空发射信号的同步卫星4至其它行星的轨道卫星7间的通信链路；所述远地链路，指其它行星的轨道卫星7与其表面探测器8之间的链路。例如，当所述其他行星为火星时，将地球与火星间的深空通信链路划分为上述三部分，其中深空中继链路指地球的同步卫星至火星轨道卫星间的通信网络，在未来其间可能存在多个位于日-地和日-火拉格朗日点上的卫星作为转发节点。
[0021] 图1的S2中，计算通信链路各段损耗值包括计算近地链路1损耗值、计算深空中继链路2损耗值和计算远地链路3损耗值。以下分别对各段链路的损耗值的优选计算方法进行详细说明。
[0022] 1）远地链路损耗值计算方法
[0023] 计算远地链路3损耗值包括计算自由空间传播损耗值Lfs，即：计算当前传播的无线电波在其它行星的轨道卫星7与其表面探测器8之间的自由空间中传播时的损耗值。以火星为例，由于火星大气稀薄，且主要成分是二氧化碳，其次是氮、氩，此外还有少量的氧和水蒸气，而深空通信波段通常都是X波段以上，甚至到Ka波段，所以火星大气造成的损耗很小，基本可以忽略。但稀薄的火星大气也常有沙暴等恶劣气象，且影响范围很广，若火星探测器恰在其影响范围内，则此时与火星探测器的通信会受到影响，所以该段链路的损耗主要还是自由空间传播损耗。自由空间传播损耗值Lfs可由如下公式求得：
[0024] Lfs＝92.45+20lgd+20lgf (1)公式（1）中，d为其它行星的轨道卫星7与其表面探测器8之间的距离，单位为Km；f表示该无线电波的频率，单位为GHz。
[0025] 2）深空中继链路损耗值计算方法
[0026] 计算深空中继链路2损耗值的方法为：求取当前传播的无线电波在深空中继链路2范围内的自由空间传播损耗值和太阳风造成的吸收损耗值之和。其中，自由空间传播损耗值是指无线电波在同步卫星与其它行星的轨道卫星间的自由空间中传播损耗值；太阳风造成的吸收损耗值是指由于太阳闪烁的影响，导致无线电波损耗的值，其中太阳闪烁是指太阳风电参数的快速变化，使其对无线电波的吸收强弱产生起伏，引起信号电平的快速变化。
[0027] 其中，当前传播的无线电波在深空中继链路2范围内的自由空间传播损耗值Lmfs同样可采用公式（1）求得。仍以地球和火星之间的通信链路为例：地球与火星间的自由空间传播损耗随着地球与火星的轨道运动而时刻变化，但由于地球与火星间的距离实在太遥远了，实际由于星体轨道运动造成的损耗变化，短时间内并不明显。上合时期，火星的与地球的距离达到最远，大约为2.6826225(AU)，此时的无线电波从火星传回地面具有最大的自由空间传播损耗，Ka波段32GHz下行链路的损耗约为294.58dB；下合时期，火星的与地球的距离最近，约为0.3979728(AU)，此时的无线电波从火星传回地面具有最小的自由空间传播损耗，Ka波段32GHz下行链路的损耗约为277.9985dB。
[0028] 由于通信频率越高受太阳闪烁的影响越小，当通信链路距离太阳中心约4倍太阳半径时，X波段的信号信噪比相比于无闪烁时的信道有8.2dB的衰落，而Ka波段信号只有约0.4dB的衰落。这说明，为了补偿太阳闪烁对无线电信号的影响，在进行通信链路设计时，需要给X波段和Ka波段分别预留8.2dB和0.4dB的链路余量，才能正常的完成通信。太阳风造成的吸收损耗值Lsun可以由如下公式求取：
[0029]
[0030] 公式（2）中， 是沿地球站到探测器之间整个传输路径（L）的倾斜（倾斜路径长度LS）全电子含量STEC，Ne是太阳风电子密度（单位m-3），它是径向距离的函数。v是等离子体碰撞频率（Hz,温度的函数），f是信号频率(单位GHz)。根据公式（2），对于2.3GHz无线电信号，传输路径长度为3×108km时，无线电信号总吸收仅有0.01dB，可以忽略不计。
[0031] 故深空中继链路损耗值Lm为:
[0032] Lm=Lmfs+Lsun (3)
[0033] 3）近地链路损耗值计算方法
[0034] 计算近地链路1损耗值的方法为：求大气吸收损耗值、降雨衰减值、雨雾衰减值、积雨云衰减值和电离层衰减值之和。
[0035] 所述大气吸收损耗值是指由于大气的吸收效应导致的无线电波的损耗值；所述降雨衰减值是指由于降雨导致的无线电波的损耗值；所述雨雾衰减值是指雾天造成的无线电波的损耗值；所述积雨云衰减值是指积雨云对无线电波造成的损耗值；所述电离层衰减值是指电离层对无线电波造成的损耗值。其各个值的计算方法如下：
[0036] A、大气吸收损耗值Latm计算方法
[0037] 对于高频段电磁波，大气的吸收效应较明显，是重要的损耗因素。大气吸收效应主要由水蒸气和氧气分子对电磁波的吸收造成，频率在15GHz以下和35GHz至80GHz时,氧分子对电磁波的吸收，占主要地位,并在60GHz和118.74GHz附近处发生谐振吸收而出现一个较大的损耗峰。水分子的衰减高峰出现在22.3GHz,183.3GHz和323.8GHz。影响大气组成和结构的因素有3个:温度、压强和水汽密度。因此,信号衰减不仅与频率有关,同时还与这3个因素有关。
[0038] 在当工作频率低于350GHz(57-63GHz除外)、电波以倾斜路径穿过大气层时，干燥空气和大气水蒸气密度为ρ时的中值气体吸收衰减Latm（单位dB）可利用如下的公式求解：
[0039]
[0040] 式（4）中，El为地球站仰角；h0为氧气等效高度，一般取6Km；hs为地球站终端位置的平均海拔高度，单位Km；hw为水蒸气等效高度，单位Km；θ为通信链路仰角，单位度；g(h0)为氧气的特征损耗；g(hw)为水蒸气的特征损耗；其中，h0、hw、γ0、γw分别通过以下各式计算：
[0041]
[0042]
[0043]
[0044]
[0045]
[0046] 特征损耗g(h)可由如下公式计算得出：
[0047]
[0048] 式（5）至（8）中，f为无线电波的频率，单位GHz；ρ为水蒸气密度，单位g/m3，其值按照如下公式计算：
[0049]
[0050] 式（10）中，H为相对湿度；T为绝对温度。
[0051] B、降雨衰减值Lrain计算方法
[0052] 由于降雨而引起的信号衰落是Ka频段卫星通信所经受的最严重的传播损耗，信号频率小于1GHz时，降雨衰减可忽略，降雨衰减随着电波的频率的增加而增加。降雨衰减与雨量和穿过雨区的有效距离有关，雨量和有效距离越大衰减就越大，冰雹、冰晶和雪含水量较低，衰减影响较小。
[0053] 降雨对近地链路中的信号衰减的具体计算步骤如下Step1-Step5所述：
[0054] Step1：计算当地实际降雨高度hR（单位Km）:
[0055]
[0056] 其中 为地球站所在地的纬度。
[0057] Step2：计算倾斜路径长度Ls:
[0058]
[0059] 其中，θ为通信链路仰角；hR为S1中计算出的当地实际降雨高度；hs同公式（4）中，表示地球站终端位置的平均海拔高度(km)；Re为地球有效半径(单位km)。
[0060] Step3：计算减少因子:
[0061] 当降雨强度R0.01<100mm/h时，减少因子为：
[0062]
[0063] 其中，当R0.01>100mm/h时，取R0.01=100mm/h进行计算。
[0064] Step4：利用相关系数k，α及R0.01计算特征衰减gR(单位dB/km):
[0065] rR＝k(R0.01)α (14)
[0066] 其中，
[0067]
[0068] α＝[KHαH+KVαV+(KHαH-KVαV)×cos2(El)cos2τ]/2k (16)
[0069] 其中：KH、KV和αH、αV分别表示线极化(下标H为水平极化、下标V为垂直极化)以及水平路径的k和α值。具体值可通过下表获得：
[0070] 表1频率相关系数KH、KV和αH、αV的值
[0071]
[0072]
[0073] 若使用频率相关值在表1中不能直接查到，则可以按下述原则获取：KH、KV值，可按频率是对数刻度，KH、KV值也是对数刻度，用插人法求得；αH、αV值，可按频率是对数刻度，αH、αV值是线性刻度，用插人法求得。
[0075] Step5：平均年的0.01%时间超过的降雨衰减Lrain即L0.01最具代表性，计算方法如下：
[0076] L0.01＝γR×Ls×r0.01 (17)
[0077] 如果按照最低仰角计算，此时，通信链路通过的降雨区长度大约在40km左右，而Ku波段和Ka波段造成的衰减大约为45dB和272dB，如此大的损耗会直接造成链路中断，使得通信链路不再具有实用性。高频段降雨衰减可以通过不同地点的多站接收的方式来避免。目前计算降雨衰减的雨区高度大约为4-6千米，当雨区高度为6km时，深空通信Ka频段32GHz无线电波的降雨损耗约为38.55dB。
[0078] C、雨雾衰减值计算方法
[0079] 雾天造成的雨雾衰减值Lfog可由如下经验公式计算得出：
[0080]
[0081] 其中：f为无线电波信号的频率，单位GHz；υm为能见度,单位m。
[0082] D、积雨云衰减值Lcloud计算方法：
[0083] 积雨云对无线电波的损耗可以与强度非常大的降雨造成的衰减相比拟，但是当降雨的强度超过50mm/h的时候，降雨衰减就成为了大气层中的主要衰减来源。
[0084] 积雨云衰减值Lcloud可由如下公式计算得出：
[0085]
[0086] 其中:Δh为云层有效厚度，目前我国尚没有云层厚度的统计数据，在此采用国际通用的平均厚度，即Δh＝1km；γc为云层的特征损值，采用下式计算:
[0087] γc＝KL×M （20）
[0088] 公式（20）中，M为云层的水蒸气密度（单位g/m3）；KL为特定衰减系数(单位dB/3
(km·g·m))，其值可由下面公式求得：
(km·g·m))，其值可由下面公式求得：
[0089]
[0090] 公式（21）中：
[0091]
[0092]
[0093] 其中：ε1＝5.48，ε2＝3.51，
[0094]
[0095]
[0096]
[0097]
[0098] 如上述公式中，T为绝对温度，单位开尔文；fp、fs为一次和二次张弛频率，单位取GHz；f为无线电波信号的频率，单位GHz。
[0099] 从以上云层衰减模型中我们可以发现，云层对于无线电波的损耗与无线电波的频率，通信链路的仰角以及云层的水汽密度有关。限定仰角为5°，水汽密度为典型值0.5g/m3，Ka波段32GHz无线电波受云层影响产生的衰减约为3.41dB。
[0100] E、电离层衰减值Lion计算方法
[0101] 电离层对于无线电波的吸收特性与电子浓度有关系，电子浓度越大，则吸收特性越强。电离层对于无线电波的吸收特性还与无线电波的频率有关系，无线电波的频率越高，则吸收特性越弱。当无线电波的频率大于300MHz时，电离层对于无线电波的吸收特性已经很不明显，而深空通信所用频段一般都在S、C、X甚至更高，因此，我们有理由相信，电离层对于深空通信来说，其损耗可以忽略不计。
[0102] 综上A-E，近地链路损耗值Ln的值为：
[0103] Ln＝Latm+Lfog+Lrain+Lion+Lcloud (28)
[0104] 通信链路总损耗值Lsum为各段通信链路损耗值之和：
[0105] Lsum＝Lfs+Lm+Ln+Lelse (29)
[0106] 其中：Lfs、Lm、Ln分别采用公式（1）、（3）和（28）计算；Lelse表示上文中未提及的其他细微损耗的总和，通常可忽略。由以上公式分析可知，要计算固定地球站与深空探测器之间的链路损耗，首先需确定通信频段及频率，地球站位置（纬度，海拔高度），通信仰角，并根据天气情况获取地球站附近气温、大气相对湿度、能见度、云层水蒸气密度、降雨强度等参数，最后结合实时深空探测器轨道参数确定的链路距离，代入公式（28），即可确定较为精确的固定地球站与深空探测器之间的链路损耗。
[0107] 综上，本发明提供的计算深空通信链路损耗值的方法，针对深空通信链路的特点，对深空链路进行了分段，并给出了各段中各种因素造成衰减的理论模型，对各个模型进行分析计算，最后获取到准确的深空通信链路总损耗值，同时该方法具有较强的适用可行性，可广泛应用于各种深空通信系统中。
[0108] 以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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